スマートウォッチは, 長時間じっとしている人に”そろそろ動く時間だよ!”と知らせます. “次の信号でUターンしてください”とGPSが間違った方向に進むドライバーに呼びかけます. これらは現在ではおなじみのアラートであり, サブGHz帯, 5G, ウェアラブル端末の需要の高まりとともに, さらに普及することが予想されます. この解決策には, より優れたRFフィルター, ひいてはより優れた共振器が必要ですが, 話にはまだ続きがあります.
身の回りのものすべてにRFフィルターが必要
COMSOL Day の基調講演: 電子デバイスで, Texas Instruments の Bichoy Bahr 氏は次のように述べます サブギガヘルツ (サブ GHz) テクノロジに対する需要は増え続けており, これらは, 現在, この技術は家庭用および産業用オートメーション, インフラストラクチャの監視, ウェアラブル端末, スマート農業や漁業など十億人の人々に使用されています. RFフィルターは, 1つまたは多数の共振器から構成され, これらのデバイスの機能において重要な役割を果たしています.
ホームオートメーション用のスマートディスプレイ.
Unsplash で James Yarema 氏が撮影した写真.
Bichoy Bahr氏は講演の中で, このことは”基本的に, より良い共振器とより良いRFフィルター（…）を一般に持つことに重荷を押し付けている”と述べます. 彼はさらに, 共振器には小型でコンパクトなフォームファクター, 優れた安定性, 低コスト, 低消費電力が要求されると説明します. しかし, これらの設計要件をすべて満たす共振器を作るのは難しいのです. “MEMS共振器は, これらの課題に対する優れた解決策を提供します.” と語ります.
MEMS共振器は利点をもたらすが, 課題がないわけではない
MEMS共振器は, 常に小型で高品質（高Q）であり, フットプリントが小さいため, ペースの速いオートメーション業界に対応するのに適した選択肢です. MEMS共振器は, 高Qを維持したまま, 相補型金属, 酸化物, 半導体（CMOS）に統合することもできます. MEMS共振器の他の利点としては, 周波数チューニングが可能で, 異なるプロトコルや異なる周波数規格のフィルターを設計する際に役立つ大規模なアレイを作成するために使用できることが挙げられます.
その反面, MEMS共振器には製造や使用を困難にする欠点もあります. 例えば, MEMS共振器の多くは隙間のあるリリース構造を採用しているため, 歩留まりの問題があります. また, パッケージングや応力の影響を受けやすく, 温度安定性の問題もあります. 最後に, MEMS共振器とCMOS技術の統合は容易ではなく, Bahr氏は基調講演でこの点に焦点を当てました.
CMOS–MEMS統合
CMOS と MEMS 技術を統合するために使用できるアプローチがいくつかあります. 最も初期に知られているアプローチはMEMS ファーストと呼ばれ, ウエハ上でCMOS技術よりも前にMEMSが製造されます. これは, 加速度計などのデバイスに使用できます. 他のアプローチには, CMOS–MEMS, MEMS ラスト, および MEMS インパッケージ (今日最もよく見られるアプローチ) があります.
夢か現実か？
Bahr 氏によると, これら 2つの技術を統合するための夢のアプローチは, CMOS 金型 内にカプセル化された MEMS 共振器を作成することです. Bahr氏がフロントエンドオブライン（FEOL）MEMS–CMOSと呼ぶこのアプローチを使用すると, 共振器は他のトランジスターや回路と同じように製造され, 追加の後処理ステップや特別な真空パッケージングは必要ありません. そのような共振器は完全に保護されます. FEOL 材料へのアクセスを許可します. エアギャップ, 自由表面, 寄生要素, およびワイヤボンドが存在しないことになります.
CMOS金型に封入されたMEMS共振器と代表的なトランジスターの図.
チップ上にワイヤーボンディングします.
“これを実現できるというのは, MEMSに対する非常に楽観的な見方です” とBahr氏は言います. しかし, FEOL MEMS–CMOS共振器を開発することは, 音響閉じ込め, 圧電変換, パッケージング応力のために困難です. この新しいクラスの共振器の複雑な構造と動作原理を研究するため, Bahr氏はマルチフィジックスモデリングとシミュレーションを研究に取り入れています.
さらに詳しく: PnC 導波路設計
Bahr氏は, フォノニック結晶（PnC）導波路設計を組み込んだFEOL MEMS–CMOS共振器を解析しました. この設計は周期的で, 音や機械振動の流れを制御することができます. Bahr氏によると, COMSOL Multiphysics®ソフトウェアは, PnC導波路の垂直方向と水平方向の閉じ込めを理解するのに非常に重要であり, それによって設計を向上させるのに役立ったといいます. バール氏はまた, 開発した設計がIBMの32ナノメートルSOI技術でどのように製造されたかを話してくれました.
IBM 32ナノメートルSOI技術におけるFEOL MEMS-CMOS共振器のモデル.
未公開の製造構造体の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像.
Bahr 氏は, 設計の RF 特性評価結果を調べたところ, まだ改善の必要があることがわかりました. “私たちが得た (周波数応答の) 測定値は非常に高いQを示しましたが, 見た目はあまり良くありませんでした. 非常にノイズが多く, 多くのピークがありました” とBahr氏は述べます. 結果をさらに詳しく調べたところ, 設計のコンセプトはまだ良かったのですが, 圧電変換が非常に弱く, 実用的なアプリケーションには使用できないことが確認されました. “そのため, より良い圧電変換を他の方法で探す必要がありました.”
測定された周波数応答.
最終設計: CMOS の強誘電体共振器
研究を通じて, Bahr 氏と彼のチームは, CMOS 技術で使用されることがある, 以下のようなダイアグラムを発見しました. この新しい知識に基づいて, 彼らは共振器の変換に圧電材料でもある強誘電体材料を使用してみることにしました.
圧電変換技術の概略図.
この新しい共振器設計をシミュレーションして分析した後, チームはデバイスの製造と測定を続けました. 新しい設計では, 周波数 701 MHz, 品質係数 781, 圧電変換による強い共振があることがわかりました. 変換を強くしたり弱くしたり, 完全にオフにしたりすることもできます. これは, プログラム可能または調整可能なフィルターおよび共振器に特に役立ちます. 講演の最後にBahr氏は, 強誘電体は有望な結果をもたらしており, 今日の非常に要求の厳しいCMOSおよびMEMS技術の基準を満たすために使用できる可能性があると述べました.
次のステップ
CMOS & MEMS 共振器の詳細と, Texas Instrumentsでこの技術にシミュレーションがどのように使用されているかについては, ビデオをご覧ください.
参考文献
- B. Bahr, R. Marathe, and D. Weinstein, “Theory and Design of Phononic Crystals for Unreleased CMOS-MEMS Resonant Body Transistors,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 24, no. 5, pp. 1520–1533, 2015; https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7096929
- Y. He et al., “A tunable ferroelectric based unreleased RF resonator,” Microsyst Nanoeng, vol. 6, p. 1–7, 2020; https://doi.org/10.1038/s41378-019-0110-1
- Y. He , B. Bahr, and D. Weinstein, “A Ferroelectric Capacitor (FeCAP) Based Unreleased Resonator,” Transducer Research Foundation, 2018; https://transducer-research-foundation.org/technical_digests/HiltonHead_2018/hh2018_0071.pdf
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